CN102699157A - 一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法，它涉及一种提高金属厚板成形件质量的方法，具体涉及一种通过控制模具间隙及摩擦系数提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法，以解决采用现有弯曲成形技术在成形截面形状变化的金属厚板零件时，难以保证成形件的成形精度和表面质量的问题，具体方法：步骤一、模具的凹模和凸模的间隙的选择；步骤二、摩擦系数的测定；步骤三、金属厚板成形件完全贴模的凹模和凸模的间隙的确定；步骤四、金属厚板与凹模之间的摩擦系数的确定；步骤五、金属厚板弯曲成形。本发明用于金属厚板弯曲成形。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高金属厚板成形件质量的方法，具体涉及一种通过控制模具间隙及摩擦系数提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法。
背景技术
金属厚板零件，因其结构特点具有刚度高、耐磨损等优点，越来越受到航空、航天、能源等工业领域的重视。而零件的成形精度和表面质量更是业内关注的重点。由于变形载荷大，内外表面应力梯度大，厚板零件的成形难度要比薄板零件大得多。要得到成形精度高和表面质量好的厚板零件，给成形工艺提出了更高的要求。弯曲成形是金属厚板成形的常用工艺，通常情况下工艺参数是针对截面形状不变的零件来设定的，模具间隙（一般指凸凹模间隙）和摩擦系数等一般是固定的。然而，在实际应用中，厚板零件的形状多种多样，传统具有固定参数的成形工艺在成形截面形状变化的厚板零件时，难以保证成形件的完全贴模，也难以控制成形件的表面损伤，即难以保证成形件的成形精度和表面质量。
发明内容
本发明的目的是为解决采用现有弯曲成形技术在成形截面形状变化的金属厚板零件时，难以保证成形件的成形精度和表面质量的问题，进而提供一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法。
本发明为解决上述问题而采取的技术方案是：本发明的一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法的具体步骤为：
步骤一、模具的凹模和凸模的间隙的选择：用于金属厚板弯曲成形的凹模和凸模的间隙控制在1.0δ-1.2δ，其中，δ为金属厚板的厚度；
步骤二、摩擦系数的测定：首先选择与金属厚板同合金，表面粗糙度与高温弯曲成形用金属厚板表面粗糙度值相同的金属圆环，采用圆环压缩法测定不同润滑剂润滑和无润滑剂润滑条件下的金属圆环的压下量和圆环内径的变化量，将圆环压缩实验得到的金属圆环的压下量和内径变化量绘制在标准曲线内，得到金属厚板与模具之间的不同润滑条件下的曲线，通过拟合，得到不同润滑条件下的摩擦系数分别为μ1，μ2…μn，其中，n为润滑剂的数量；
步骤三、金属厚板成形件完全贴模的凹模和凸模的间隙的确定：首先选择与金属厚板同合金的样件，在凸模的工作表面涂抹经步骤二确定的摩擦系数最小的润滑剂，将样件放入模具上进行弯曲成形试验，试成形件完全贴膜时，较大弯曲半径的横端面的凸模和凹模的间隙小于预成形件的较小弯曲半径的横端面的凸模和凹模的间隙；
步骤四、金属厚板与凹模之间的摩擦系数的确定：按照步骤三确定的预成形件的不同弯曲半径的端面完全贴模的凸模和凹模的间隙关系，对凹模的工作表面涂抹不同的润滑剂，进行高温弯曲成形试验或数值模拟，试成形件各弯曲半径的表面无表面损伤时，试成形件的较大弯曲半径的横端面至较小弯曲半径的横端面之间的渐变曲面所对应的凹模的工作面与金属厚板之间的摩擦系数是较大弯曲半径表面对应的摩擦系数至较小弯曲半径表面对应的摩擦系数由大变小，较大弯曲半径表面对应的凹模的工作表面涂抹摩擦系数最大的润滑剂，较小弯曲半径表面对应的凹模的工作表面涂抹摩擦系数最小的润滑剂；
步骤五、金属厚板弯曲成形：选择厚度为δ的金属板材，按步骤一选定凹模和凸模的间隙的范围，然后，在凸模的工作表面涂抹经步骤二确定的摩擦系数最小的润滑剂，按照步骤四确定的凹模的工作面与金属厚板之间的摩擦系数是由较大弯曲半径表面对应的摩擦系数至较小弯曲半径表面对应的摩擦系数变小，在不同弯曲半径表面对应的凹模的工作表面依次涂抹相应润滑剂，按照步骤三中确定的较大弯曲半径的横端面的凸模和凹模的间隙小于预成形件的较小弯曲半径的横端面的凸模和凹模的间隙，调整好凸模与凹模的相对位置，然后，将金属板材置于凹模上，下行凸模，进行金属厚板弯曲成形，形成成形件。
本发明的有益效果是：本发明采用控制凹模与凸模间隙的方法，保证了具有变化截面的金属厚板弯曲成形时的良好贴模，提高了金属厚板的成形尺寸精度，尺寸偏差均匀；同时采用控制模具的凸模和凹模的表面摩擦系数的方法来保证了金属厚板弯曲时成形件表面不出现损伤，提高了金属厚板成形件的表面质量。本发明可用于具有变化截面的金属厚板成形件的尺寸精度及表面质量的控制，是一种有效、实用的生产技术。
附图说明
图1是本发明结合的模具的主视结构示意图，图2是图1的左视图，图3是本发明的圆环压缩法标准曲线图，图4是本发明的试成形件的三维形面电扫描图，图5是试成形件的长度方向的尺寸偏差图，图6是本发明的试成形件未压缩状态图，图7是试成形件的曲率半径较大端的压缩状态图，图8是试成形件的曲率半径较小端的压缩状态图，图9是固定凸凹模间隙和凸模的摩擦系数而改变凹模的摩擦系数得到的试成形件的长度方向的尺寸偏差图，图10是固定凸模和凹模的摩擦系数而改变凸凹模间隙得到的试成形件的长度方向的尺寸偏差图，图11是试成形件压制时凹模的工作面上涂抹不同的润滑剂的状态图，图12是本发明金属厚板成形件成形后得到的长度方向的尺寸偏差图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1-图12说明本实施方式，本实施方式的一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法的具体步骤为：
步骤一、模具的凹模4和凸模1的间隙的选择：用于金属厚板7弯曲成形的凹模4和凸模1的间隙Z控制在1.0δ-1.2δ，其中，δ为金属厚板7的厚度；
步骤二、摩擦系数的测定：首先选择与金属厚板7同合金，表面粗糙度与高温弯曲成形用金属厚板表面粗糙度值相同的金属圆环，采用圆环压缩法测定不同润滑剂润滑和无润滑剂润滑条件下的金属圆环的压下量ΔH和圆环内径的变化量ΔD，将圆环压缩实验得到的金属圆环的压下量ΔH和内径变化量ΔD绘制在标准曲线内，得到金属厚板7与模具之间的不同润滑条件下的曲线，通过拟合，得到不同润滑条件下的摩擦系数分别为μ1，μ2…μn，其中，n为润滑剂的数量；
步骤三、金属厚板成形件完全贴模的凹模和凸模的间隙的确定：首先选择与金属厚板同合金的样件，在凸模1的工作表面涂抹经步骤二确定的摩擦系数最小的润滑剂，将样件放入模具上进行弯曲成形试验，试成形件完全贴膜时，较大弯曲半径Rmax的横端面的凸模1和凹模4的间隙Zmin小于预成形件的较小弯曲半径Rmin的横端面的凸模1和凹模4的间隙Zmax；
步骤四、金属厚板与凹模之间的摩擦系数的确定：按照步骤三确定的预成形件的不同弯曲半径的端面完全贴模的凸模1和凹模4的间隙关系，对凹模4的工作表面涂抹不同的润滑剂，进行高温弯曲成形试验或数值模拟，试成形件各弯曲半径的表面无表面损伤时，试成形件的较大弯曲半径Rmax的横端面至较小弯曲半径Rmin的横端面之间的渐变曲面所对应的凹模4的工作面与金属厚板7之间的摩擦系数是较大弯曲半径Rmax表面对应的摩擦系数μmax至较小弯曲半径Rmin表面对应的摩擦系数μmin由大变小，较大弯曲半径Rmax表面对应的凹模4的工作表面涂抹摩擦系数最大的润滑剂，较小弯曲半径Rmin表面对应的凹模（4）的工作表面涂抹摩擦系数最小的润滑剂；
步骤五、金属厚板弯曲成形：选择厚度为δ的金属板材，按步骤一选定凹模和凸模的间隙Z范围，然后，在凸模1的工作表面涂抹经步骤二确定的摩擦系数最小的润滑剂，按照步骤四确定的凹模4的工作面与金属厚板7之间的摩擦系数是由较大弯曲半径Rmax表面对应的摩擦系数μmax至较小弯曲半径Rmin表面对应的摩擦系数μmin变小，在不同弯曲半径表面对应的凹模的工作表面依次涂抹相应润滑剂，按照步骤三中确定的较大弯曲半径Rmax的横端面的凸模1和凹模4的间隙Zmin小于预成形件的较小弯曲半径Rmin的横端面的凸模1和凹模4的间隙Zmax，调整好凸模1与凹模4的相对位置，然后，将金属板材置于凹模4上，下行凸模1，进行金属板材弯曲成形，形成成形件。
本实施方式结合的模具工作过程为：如图1和图2所示，模具包括凸模1、凹模4、压料板3、三个限位块2、四个顶杆5和四个氮气弹簧6。厚板高温弯曲成形时，经加热的厚板坯料7置于凹模4上，凸模1下压的同时氮气弹簧6顶推压料板3，压料板3在弯曲全过程中起压料作用，凸模1下压至终了位置后退回，氮气弹簧6继续顶推压料板3，将成形件顶出，成形完毕。氮气弹簧的特点是输出的弹力大小稳定，适合带压料弯曲的特点，而模具中三个限位块的设计，为便于具有较高温度的厚板坯料成形后的成形件的运输的定位。
本实施方式的μmax表示最大摩擦系数，μmin表示最小摩擦系数，间隙Zmin表示最小间隙，Zmax表示最大间隙。
具体实施方式二：结合图1-图12说明本实施方式，本实施方式的步骤一中厚板弯曲成形的凹模4和凸模1的间隙Z为1.02δ-1.1δ。如此设置，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：结合图1-图12说明本实施方式，本实施方式的步骤二中的润滑剂为石墨润滑剂，BN润滑剂和玻璃润滑剂。如此设置，润滑效果好，本实施方式所述BN润滑剂为氮化硼润滑剂，满足设计要求和实际需要。其它与具体实施方式一或二相同。
实施例
结合图1至图12进一步说明本发明，本实施例样件采用厚度为12mm的Inconel718热轧板材，该板材也将用于后续的高温弯曲成形，Inconel718热轧板材坯料尺寸为700mm×350mm，其化学成分见表1。
表1：Inconel718热轧板材的化学成分
| C | Mn | Si | S | P | Ni | Cr |
| 0.027 | 0.02 | 0.08 | 0.001 | 0.0045 | 52.32 | 18.53 |
| Cu | Ti | Al | B | Co | Nb+Ta | Fe |
| ＜0.07 | 1.06 | 0.50 | 0.0016 | 0.035 | 5.19 | Bal. |
模具的凹模和凸模的间隙的选择：本实施例凹模和凸模的最大间隙选用1.1倍的上述板材坯料，即最大间隙Zmax为13.2mm，凹模和凸模的最小间隙不可小于包含正偏差加热后的板材厚度，本实施例凹模和凸模的最小间隙选用Zmin为12.6mm。
模具的摩擦系数的测定：本实施例采用圆环压缩法测定摩擦系数，圆环压缩法中的试验材料主要包括压缩圆环、上下模块和润滑剂，压缩圆环采用机械加工的方式截取，尺寸比例选用的是标准试样比例，外径：内径：高为6：3：2，具体为圆环外径20mm，内径10mm，高度7mm，圆环上下表面采用机械打磨的方式，使其表面粗糙度尽可能的与高温弯曲成形试验用厚板表面粗糙度值相同。试验用的上下模块材料与高温弯曲成形用的模具材料一致，均为热作模具钢H13，尺寸为100mm×100mm×35mm。为保证其具有足够的高温强度，进行热处理。为了使该模块的表面粗糙度与高温弯曲成形的模具表面一致，采用与加工模具相同的方式对其进行加工，即采用数控加工中心进行表面铣削，而后用砂纸进行机械抛光。试验所采用的润滑条件为润滑剂润滑和表面干摩擦。其中润滑剂润滑所使用的润滑剂为高温成形常用的石墨润滑剂、BN润滑剂和玻璃润滑剂。
为了使圆环压缩试验测得的摩擦系数与Inconel718厚板的高温弯曲成形试验的摩擦系数尽可能的接近，试验中的热环境及加热过程要与高温弯曲成形试验一致。即将压缩用圆环放入加热炉内加热，加热温度设定为Inconel718的高温成形温度。与此同时，将压缩模块安装在压力机上，采用喷烤设备对其表面进行加热，将其表面加热至300℃左右。对于干摩擦状态的试验，待模块和圆环加热完成后，将圆环取出，置于模块上，进行压缩。对于采用润滑剂润滑的试验，在上下模块的工作表面上涂抹润滑剂（涂抹润滑剂时，在涂抹石墨和玻璃润滑剂时，材用喷枪将石墨或玻璃水溶液喷到模块表面，加热的模块表面会使水分瞬间蒸发，从而使石墨或玻璃润滑剂薄膜牢固地附着在表面上。涂抹BN润滑剂时，将BN与酒精混合成溶液喷涂到模块表面，酒精也会瞬间完全挥发，形成牢固的BN薄膜），待模块和圆环加热完成后，取出进行压缩。压缩变形的应变速率设定为0.1s-1，应变量为25%~40%。
对压缩后的圆环进行处理，先去除试样表面残余的润滑剂，使试样的尺寸便于测量。然后，将试样均分为三部分，测量每部分的高度值，将测量结果取平均值，计算压下量ΔH(%)。测量压缩后圆环的内径。内径的测量要对上、中、下三个部分分别测量，上、下部内径为压缩鼓形面的表面直径，中部内径为鼓形面的最小直径。将三组值取平均值，计算内径的变化量ΔD(％)。如表2所示。
表2：不同压下量的圆环内径变化量关系。
然后，将圆环压缩试验得到的压下量ΔH(%)和内径变化量ΔD(%)标注在如图3所示的圆环尺寸比例为6：3：2的理论校准曲线坐标内，可得到不同摩擦条件下的摩擦系数：石墨润滑的摩擦系数μ1为0.16，BN润滑的摩擦系数μ2为0.25，玻璃润滑的摩擦系数μ3为0.32，无润滑的摩擦系数μ4为0.42。
凹模和凸模的间隙的确定：以凸模的较小的弯曲半径为R30过度到较大的弯曲半径为R90说明，首先选用凸模和凹模的间隙为Zmax=13.2mm，涂覆玻璃润滑剂，使凸模的摩擦系数μt和凹模的摩擦系数μb均为0.32，（试验前涂抹润滑剂的方法与圆环压缩试验相同，即使用相同的涂抹工具和相同的次数在模具表面涂抹同种的润滑剂，坯料在进入加热设备前不涂抹润滑剂。同时，模具工作表面粗糙度与圆环压缩试验H13模具钢表面一致。保证热成形试验的摩擦系数尽可能的接近圆环压缩试验的测定值和数值模拟的设定值）。对成形件进行三维外形扫描（扫描采用Infinite SC 1.8m激光扫描仪试成形件进行扫描），如图4所示，弯曲件平面部分的外形尺寸精度良好，均达到了0.2mm以内，尺寸偏差主要出现在弯曲部分，图5所示的是弯曲段长度方向上的最大尺寸偏差曲线图，从图5可以得出，与划伤严重程度的变化趋势相反，弯曲段尺寸偏差随着曲率半径的变大而增加。曲率半径小的位置板材贴模情况优于曲率半径大的位置，图6所示的是成形前压弯模块与厚板试件坯料的相对位置，图7所示的是凸模较大的一端的曲率半径Rmax为90mm压弯过程中厚板截面变化，图8所示的是凸模较小的一端的曲率半径Rmin为30mm压弯过程中厚板截面变化，可见这两端凸凹模之间所约束的板料直边长度不同，Rmax端的板料直边长度K明显小于Rmin端板料直边长度L，对弯曲段划伤及尺寸偏差的变化趋势进行分析，在润滑条件不变的情况下，划伤的严重程度与摩擦强度有关；同时，在凸凹模间隙不变的情况下，摩擦状态也决定了贴模程度，凹模与板材间的摩擦力方向与贴模方向一致，是板材贴模的动力，而凸模与板材间的摩擦力方向则与贴模方向相反，对板材贴模起阻碍作用。若使板材能够更好的贴模，则板材与凸模间的摩擦应尽量小，而与凹模间的摩擦应尽量大。板材与凸模之间采用石墨润滑剂，摩擦系数为0.16，如果板材与凹模之间的摩擦增大，虽然板材的贴模程度会更高，弯曲段的尺寸偏差更小，但导致了严重划伤出现，表面质量差，确定预成形件的弯曲半径较大的端面处贴模的凸模和凹模的间隙Zmin至预成形件的弯曲半径较小的端面处贴模的凸模和凹模的间隙Zmax由小变大，取Zmin为12.6mm，Zmax为13.2mm。
金属厚板与凹模之间的摩擦系数的确定：将圆环压缩试验的结果应用于数值模拟。成形模拟的各部分初始温度设定为：坯料加热至1038℃，模具采用喷枪喷烤至350℃，环境温度为20℃，首先将板材与凸模间的润滑条件为摩擦系数最小的石墨润滑（摩擦系数μt=0.16），为改善厚板弯曲时坯料的贴模状态，使弯曲件具有更好的尺寸精度，对固定凸凹模间隙Z而改变凹模摩擦系数μb和固定凸模的摩擦系数μt和凹模摩擦系数μb而改变凸凹模间隙Z这两种状态的弯曲成形进行数值模拟分析，如图9所示，固定凸凹模间隙Z为13.0mm，固定凸模的摩擦系数μt，改变凹模摩擦系数μb分别为μ1为0.16，μ2为0.25和μ3为0.32；如图10所示，固定凸模的摩擦系数μt和凹模摩擦系数μb，改变凸凹模间隙Z分别为Z1为13.2mm，Z2为13.0mm，Z3为12.8mm和Z4为12.6mm。从图9和图10可看出，改变摩擦系数对于尺寸偏差的影响不及改变凸凹模间隙，在曲率半径小的一端设定较小的摩擦系数不会使尺寸偏差显著增加。为了改变弯曲段尺寸偏差随曲率半径的变大而增大的情况，得到偏差均匀的弯曲件，可采用渐变凸凹模间隙和摩擦系数的方法来调整各部分的尺寸偏差，曲率半径为30mm端面至曲率半径为90mm端面，凸凹模间隙Z由13.2mm渐变为12.6mm，凹模的摩擦系数μb由小变大，将该方向对应的凹模的工作表面等分为三部分A、B和C，如图11所示，A处涂抹石墨（摩擦系数为0.16），B处涂抹BN润滑剂（摩擦系数为0.25），C处为玻璃润滑剂（摩擦系数为0.32）。再次进行成形数值模拟，结果如图12所示，可见尺寸偏差比较均匀，均控制在0.5mm以内，贴模效果良好，成形精度较高。
金属厚板弯曲成形：通过对Inconel718厚板热弯曲过程的数值模拟，采用与数值模拟用的Inconel718厚板在同条件下（坯料加热至1038℃，模具采用喷枪喷烤至350℃，环境温度为20℃）进行热弯曲成形，曲率半径Rmin=30mm至Rmax=90mm端，凸凹模间隙Z由Zmax=13.2mm渐变为Zmin=12.6mm，板材与凸模间的润滑条件为采用摩擦系数最小的石墨润滑（摩擦系数μt=0.16），凹模的工作表面润滑条件由石墨润滑剂变为BN润滑剂，再变为玻璃润滑剂，即摩擦系数μb由μmin=0.16变为0.25，再变为μmax=0.32，可成形出尺寸精度较高的厚板成形件。得出的成形件的尺寸偏差如图12所示，尺寸偏差均匀，控制在0.5mm以内，有效的避免了表面划伤，得到高质量的金属厚板成形件。
Claims (3)
1.一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法，其特征在于：所述提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法的具体步骤为：
步骤一、模具的凹模（4）和凸模（1）的间隙的选择：用于金属厚板（7）弯曲成形的凹模（4）和凸模（1）的间隙（Z）控制在1.0δ-1.2δ，其中，δ为金属厚板（7）的厚度；
步骤二、摩擦系数的测定：首先选择与金属厚板（7）同合金，表面粗糙度与高温弯曲成形用金属厚板表面粗糙度值相同的金属圆环，采用圆环压缩法测定不同润滑剂润滑和无润滑剂润滑条件下的金属圆环的压下量（ΔH）和圆环内径的变化量（ΔH），将圆环压缩实验得到的金属圆环的压下量（ΔH）和内径变化量（ΔD）绘制在标准曲线内，得到金属厚板（7）与模具之间的不同润滑条件下的曲线，通过拟合，得到不同润滑条件下的摩擦系数分别为μ1，μ2…μn，其中，n为润滑剂的数量；
步骤三、金属厚板成形件完全贴模的凹模和凸模的间隙的确定：首先选择与金属厚板同合金的样件，在凸模（1）的工作表面涂抹经步骤二确定的摩擦系数最小的润滑剂，将样件放入模具上进行弯曲成形试验，试成形件完全贴膜时，较大弯曲半径（Rmax）的横端面的凸模（1）和凹模（4）的间隙（Zmin）小于预成形件的较小弯曲半径（Rmin）的横端面的凸模（1）和凹模（4）的间隙（Zmax）；
步骤四、金属厚板与凹模之间的摩擦系数的确定：按照步骤三确定的预成形件的不同弯曲半径的端面完全贴模的凸模（1）和凹模（4）的间隙关系，对凹模（4）的工作表面涂抹不同的润滑剂，进行高温弯曲成形试验或数值模拟，试成形件各弯曲半径的表面无表面损伤时，试成形件的较大弯曲半径（Rmax）的横端面至较小弯曲半径（Rmin）的横端面之间的渐变曲面所对应的凹模（4）的工作面与金属厚板（7）之间的摩擦系数是较大弯曲半径（Rmax）表面对应的摩擦系数（μmax）至较小弯曲半径（Rmin）表面对应的摩擦系数（μmin）由大变小，较大弯曲半径（Rmax）表面对应的凹模（4）的工作表面涂抹摩擦系数最大的润滑剂，较小弯曲半径（Rmin）表面对应的凹模（4）的工作表面涂抹摩擦系数最小的润滑剂；
步骤五、金属厚板弯曲成形：选择厚度为δ的金属板材，按步骤一选定凹模和凸模的间隙（Z）范围，然后，在凸模（1）的工作表面涂抹经步骤二确定的摩擦系数最小的润滑剂，按照步骤四确定的凹模（4）的工作面与金属厚板（7）之间的摩擦系数是由较大弯曲半径（Rmax）表面对应的摩擦系数（μmax）至较小弯曲半径（Rmin）表面对应的摩擦系数（μmin）变小，在不同弯曲半径表面对应的凹模的工作表面依次涂抹相应润滑剂，按照步骤三中确定的较大弯曲半径（Rmax）的横端面的凸模（1）和凹模（4）的间隙（Zmin）小于预成形件的较小弯曲半径（Rmin）的横端面的凸模（1）和凹模（4）的间隙（Zmax），调整好凸模（1）与凹模（4）的相对位置，然后，将金属板材置于凹模（4）上，下行凸模（1），进行金属板材弯曲成形，形成成形件。
2.根据权利要求1所述的一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法，其特征在于：步骤一中厚板弯曲成形的凹模（4）和凸模（1）的间隙（Z）为1.02δ-1.1δ。
3.根据权利要求1或2所述的一种提高金属厚板成形件成形精度和表面质量的方法，其特征在于：步骤二中的润滑剂为石墨润滑剂，BN润滑剂和玻璃润滑剂。
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